液面检测实验记录.doc

液面检测实验记录 实验过程在铁管上先缠绕一层绝缘胶布，再在绝缘胶布层上贴上一层铜箔贴纸。 铁管和铜箔形成电容传感器的两个极板，绝缘胶布作为高介电系数的绝缘填充。 将制作好的电容传感器安装至下图的RC方波震荡电路中，在正常情况下用示波器检测方波输出点得到频率约为24.6KHZ的方波（由频率粗略计算得自制双层吸液针的容值约为200pf）。 在有铁管（铁管为内极板，铜箔为外极板，其中外极板接地）接触到液面时，示波器测得方波输出点的频率为20.2KHZ。 在有铁管接触到人时，示波器测得方波输出点的频率为16.5KHZ。 在有铁管接触到人时，示波器测得方波输出点的频率为16.5KHZ。 具体实验结果如下表接触的极板极板接触的物体人水铁管（内极板）F=16.5KHZ F=20.2KHZ铜箔（外极板接地）F=23.3KHZ/运算放大器RC震荡产生方波原理图实验分析在方波震荡电路中f与1/RC成正比关系，在测试中测得频率都得到不同程度的减小，故C在变化过程中是增大的。 但在实验中把一张金属箔贴在铁管（内极板）上，在不接触外极板的前提下尽可能贴近外极板，来增大两极板正对面积S以此增大C的容值。 结果频率由24.6KHZ变化到23.124.3KHZ之间，并没有出现内极板接触到人或者水的现象。 C的变化由绝缘物质的介电常数、相对面积、相对距离影响，但是在试验中接入震荡电路的电容绝缘物质的介电常数、相对面积和相对距离变化极小，而实际的影响震荡的电容值却很大。 可见电容传感器本身的电容变化对电路频率影响极低。 可能是其他的因素，对实际接入震荡电路的电容产生了较大变化。 提出假设假设频率变化不是由电容传感器本身电容变化造成的，而是由于电容传感器在震荡电路中的连接关系发生变化。 假设的情况如下所示未被接触时的电容铁管（内极板）被人体接触时的情况在EMC中的ESD静电释放测试时，常常把人体等效为一个电阻和一个电容串联电路。 其中80%的人的电容在100pF110pF之间，人体电阻的取值范围在1.5K到300K之间。 故接触时的等效电路如下铁管（内极板）被人体接触时的等效电路此时可以认为实际参与RC震荡的电容为电容传感器和人体电容的并联，搭建的方波发生器F和C为线性关系。 由标准电容和当时的频率加上测试时的频率可以测得测试电容大小C1=C0*F1/F0假设验证由标准电容和标准频率（C为0.1uF时，F=53HZ。 C为10nF时，F=530HZ。 C为1000pF时，F=5.3KHZ。 可见C和F为正比例线性关系）由实验时不接触任何物体的频率24.6KHZ，计算得知C双管=200pf。 C双管=200pf，F正常=24.6KHZ。 F内极板接触人体=16.5KHZ，C假设（假设实际情况为人体电容并联电容传感器）=300PF。 计算出来的C实际=298.18PF，与假设的情况C假设相差不大。 假设成立。 而当人体接触到铜箔（外极板接地）时，相当于人体和导线并联。 其示意图如下金属箔（外极板接地）被人体接触时的等效电路可见人体与导线并联接入地，人体等效电容和等效电阻对电路不产生影响。 但是人接触金属箔（外极板接地）时，相当于扩大了外极板的表面积。 改变了双管针自身的电容大小，但是影响不如和人体等效电容并联的大。 实际的实验数据支持了这一推测，频率由24.6KHZ变化到23.3KHZ，与扩大铜箔面积造成的频率变化区间23.124.3KHZ相差无几。 故双管针测量液面时导致的电容剧变的原因接触液体相当于并联了由液体和液体容器到大地构成的等效电容导致的实际接入RC震荡的电容容值剧增。 电容剧增导致输出频率剧降，频率下降导致锁相环反馈电压剧增，电压变化通过比较被单片机接收处理。 工作时接触液面时的等效电路图如下所示使用双管针测量液面时的等效电路工作原理流程图当电容传感器的不接地的极板接触液面时，相当于电容传感器两端并联了一个由液体和大地作为两极板、液体容器与大地之间的物质作为电容的绝缘物质的等效电容电容传感器和溶液与大地构成的等效电容并联，使得实际接入RC震荡电路的电容值剧增。 电容传感器接入RC震荡电路产生特定频率的方波振荡电路的输出频率f与1/RC成线性正比关系，接入的电容值剧增导致振荡电路输出频率f剧减震荡信号输出到锁相环和正常状态下的震荡频率进行对比，通过对反馈电压和一个阈值（选取适当的阈值电压来排除外界干扰因素）进行电压比较，并把结果输出。 单片机读取电压比较结果